220 kV GIS母線保護和線路縱聯(lián)保護交叉區(qū)內故障分析

杜曉平，李濤，蔣瑞金，孫學武，郭淳

（國網山東省電力公司，濟南250001）

220 kV GIS母線保護和線路縱聯(lián)保護交叉區(qū)內故障分析

杜曉平，李濤，蔣瑞金，孫學武，郭淳

（國網山東省電力公司，濟南250001）

闡述220 kV母差保護和220 kV線路縱聯(lián)保護動作基本原理，同時對一起典型的母線保護和線路縱聯(lián)保護交叉區(qū)內GIS故障具體保護動作行為進行剖析，定位其具體故障范圍。最后，通過對一次設備檢查印證保護分析的正確性。此類GIS典型故障與保護動作行為分析的思路，為快速、準確判斷并及時處理故障提供借鑒。

GIS；母線保護；縱聯(lián)保護；交叉區(qū)內故障；事故分析

0引言

母線是電力系統(tǒng)的中樞點，如果高壓母線發(fā)生故障，其性質比較嚴重，對電力系統(tǒng)的安全運行帶來較大危害。實際運行中，母線故障是極少發(fā)生的，母差保護和線路縱差保護的交叉區(qū)內的故障更是少之又少。近年來由于GIS組合電器在電力系統(tǒng)中的廣泛應用，這種小概率的母線故障近期也頻繁發(fā)生，對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行造成極大的危害。

2013年，220 kV甲站220 kV 1號母線母差及線路縱聯(lián)保護動作，造成甲站220 kV母聯(lián)開關跳閘，220 kV 1號母線失壓，該母線上所有線路兩側開關均跳閘，1號主變停電。本次故障非常典型，性質較嚴重。因此，有必要對此次故障做進一步分析驗證。

1 220 kV母差保護原理

母差保護是將母線上所有的各連接元件的CT按同名相、同極性連接到差動回路，正常運行時滿足∑I=0［1］。

雙母線接線某一運行方式下Ⅰ母線故障原理圖如圖1所示。差動回路分為母線大差回路I3和各段母線小差回路I1和I2。母線大差回路用于判別母線區(qū)內和區(qū)外故障，小差回路用于故障母線的選擇。

圖1 母差保護原理圖

2 220 kV線路縱聯(lián)保護原理

判別量與通信是縱聯(lián)保護裝置的主要組成部分，配置如圖2所示［2］。

圖2 縱聯(lián)保護圖示

縱聯(lián)保護按照保護動作原理可分為方向縱聯(lián)、距離縱聯(lián)和分相縱聯(lián)；按照所利用通信通道的類型可分為高頻縱聯(lián)和光纖縱聯(lián)，光纖縱聯(lián)又分為PCM復用縱聯(lián)和專用光纖縱聯(lián)；縱聯(lián)保護按照正方向保護范圍是否超出本線路全長可分為超范圍式縱聯(lián)保護和欠范圍式縱聯(lián)保護；一般線路為了保證區(qū)內故障時動作的可靠性，宜采用超范圍保護方式；按照縱聯(lián)保護與專用收發(fā)信機配合實現保護的方式可分為允許式縱聯(lián)保護和閉鎖式縱聯(lián)保護。

閉鎖式縱聯(lián)保護實質：長期發(fā)信，一旦停信，保護動作于跳閘。信號作為閉鎖保護，反方向故障發(fā)信，正方向故障停信。其位置停信、其他保護動作停信、通道交換邏輯等都由保護裝置實現，這些信號都接入保護裝置而不接至收發(fā)信機，即發(fā)信或停信只由保護發(fā)信接點控制，發(fā)信接點動作即發(fā)信，不動作則為停信。

允許式保護實質：信號作為允許保護跳閘，反方向故障不發(fā)允許信號，正方向故障發(fā)信。允許式保護控制發(fā)信的接點為閉鎖式保護停信的接點。為了提高保護在區(qū)內故障時動作安全性，光纖縱聯(lián)保護都采用允許式，如RCS-931A系列保護，保護邏輯如圖3所示。

圖3 RCS-931A縱聯(lián)差動保護邏輯

3 220 kV典型保護配置

電力系統(tǒng)中，應用較廣的微機母線保護成套裝置有BP-2A、BP-2B、BP-2C，RCS-915系列，SG B750系列。這些保護裝置在保護配置和實現原理上各有特色。以RCS-915AB型微機母線成套保護裝置為例，其設有母線差動保護、母聯(lián)充電保護、母聯(lián)死區(qū)保護、母聯(lián)失靈保護、母聯(lián)過流保護、母聯(lián)非全相保護以及斷路器失靈保護等功能。

國內典型高壓線路保護成套裝置如表1所示，可用作220 kV及以上電壓等級輸電線路的主保護、后備保護及重合閘功能。

表1 電網中典型縱聯(lián)保護裝置成套裝置

220 kV高壓線路保護典型配置為雙主雙后（包括重合閘）配置，運行一套重合閘［3］，如有設備檢修或異常不能實現重合閘時，投入另一套重合閘。主保護包括縱聯(lián)變化量方向和零序方向、縱聯(lián)距離和零序方向、縱聯(lián)分相電流差動和零序電流差動配置。

雙套保護組合方式為：1）一套保護為縱聯(lián)變化量方向和零序方向，另一套保護為縱聯(lián)距離和零序方向，兩套保護都采用閉鎖式高頻通道；2）對于不能實現電壓互感器（PT）雙重化的新建變電站，其中一套線路主保護必須采用與電壓回路無關的保護，即縱聯(lián)分相電流差動保護；這種情況下，一般縱聯(lián)保護的通道一套采用專用光纖，另一套采用PCM復用通道，如同桿雙回線配置光纖分相電流縱差保護RCS-931A和光纖分相允許式距離保護RCS-902C。

3.1 光纖縱差保護

3.1.1 保護配置

RCS-931A屬于光纖縱差保護，保護裝置信道類型可采用專用光纖和復用通道，一般多采用專用光纖［4］。其包括以分相電流差動和零序電流差動為主體的快速主保護，由工頻變化量距離元件構成的快速Ⅰ段保護，由三段式相間和接地距離及兩個延時段零序方向過流構成的全套后備保護，同時有分相出口，配有自動重合閘功能。

3.1.2 保護遠跳、遠傳功能的實現

RCS-931A利用數字通道，交換兩側電流數據及開關量信息，實現一些輔助功能，如遠跳及遠傳，且可靠性極高。圖4、圖5分別為專用光纖及復用光纖通信的縱差保護示意圖。

圖4 專用光纖方式下的保護連接

圖5 線路縱差保護復用光纖通信

對于RCS-931A當需要通過遠方跳閘來切除故障點時，收到經校驗確認的遠跳信號后，若整定控制字“遠跳受本側控制”整定為“0”，無條件置三跳出口，起動A、B、C三相出口跳閘繼電器，同時閉鎖重合閘；若整定為“1”，則需本裝置起動、同時收到遠跳信號，三相跳閘并閉鎖重合閘。

同遠跳一樣，遠傳區(qū)別只在于接收側收到遠傳信號后，并不作用于本裝置的跳閘出口。

3.2 允許式距離縱聯(lián)

允許式距離縱聯(lián)通常采用光纖或復用載波通道，RCS-902C一般采用PCM復用通道，包括以縱聯(lián)距離和零序方向元件為主體的快速主保護，由工頻變化量距離元件構成的快速Ⅰ段保護。RCS-902C設有分相命令，縱聯(lián)保護的方向按相比較，通過分相比較邏輯保證跨線故障僅切除故障相適用于同桿并架雙回線，全套后備保護及自動重合閘同RCS-931A。

3.3 方向高頻保護

方向高頻保護采用復用載波通道，一般為閉鎖式高頻保護。RCS-901A包括以縱聯(lián)變化量方向和零序方向元件為主體的快速主保護，由工頻變化量距離元件構成的快速Ⅰ段保護。全套后備保護、重合閘功能同RCS-931A。

4 交叉區(qū)域接法與故障分析

4.1 CT二次接線的交叉接法

一組CT，其內部二次繞組的排列方式如圖6所示，L1靠母線側，L2靠線路側。若線路保護接第1組CT，母差保護應接第2組CT，即母差保護與線路保護CT采用交叉接法，這種接線方式能夠消除CT內部故障的保護死區(qū)；因CT底部故障率較高，若接第3組，可能會擴大事故范圍［2］。

圖6 母差保護與線路縱聯(lián)保護交叉接法

4.2 交叉區(qū)內故障分析

如果故障點在母差保護和線路縱差保護的交叉區(qū)內，致使兩套保護同時動作，則母差保護和線路縱差保護分別評價，“對側縱聯(lián)”不予評價［2］。

當故障發(fā)生在CT與斷路器之間時，母差保護雖然正確動作，但故障點依然存在。

1）閉鎖式高頻保護。母線保護出口繼電器動作三相跳閘跳本側線路斷路器后為使對側高頻保護能快速跳閘，應采取的措施是母差保護動作三相跳閘停信措施。母線差動保護動作使縱聯(lián)保護停信造成對側跳閘，則對側按母線所屬“對側縱聯(lián)”評價正確動作一次。

2）允許式高頻保護?？刂戚d波機發(fā)信的接點為閉鎖式保護停信的接點。母線保護出口繼電器動作允許該線路高頻保護發(fā)信，讓對側斷路器跳閘快速切除故障。

3）數字光纖保護。母線保護出口繼電器動作向對側發(fā)遠跳信號通過遠方三相跳閘來切除故障同時閉鎖重合閘。如圖7所示，RCS-915AB母線保護，5A21線路跟跳即為母線保護中的遠跳信號。

圖7 RCS-915AB保護中的遠跳信號

5 故障實例分析

2013年，電網中220 kV甲站220 kV 1號母線上220 kV甲乙I線213間隔-1隔離開關與CT之間氣室出現閃絡擊穿故障，造成甲站220 kV母聯(lián)開關跳閘，220 kV 1號母線失壓，其上所有220 kV線路的兩側開關均跳閘及1號主變停電。

5.1 保護配置

甲站220 kV母線保護配置：RCS-915AB。甲乙I線兩側開關、1號母線上另一條線路甲丙I線兩側開關雙套主保護均配有：允許式距離縱聯(lián)保護RCS-902C（采用PCM復用通道）；數字光纖保護RCS-931A（采用專用光纖通道）。

5.2 保護動作行為分析及故障范圍確定

如圖8所示，220 kV甲站220 kV 1號母線上甲乙I線213間隔-1刀閘與CT之間氣室故障，故障點在CT與斷路器之間K處，即母差保護和線路縱差保護的交叉區(qū)內，故障發(fā)生后母差保護大差啟動，母聯(lián)開關200跳閘，小差選故障母線為1號母線故障，動作跳甲站220 kV 1號母線上所有開關。

1）220 kV 1號主變201開關速動跳閘。

2）220 kV甲乙Ⅰ線213開關速動跳閘。

3）220 kV甲丙Ⅰ線211開關動作速動跳閘；220 kV甲乙Ⅰ線213開關兩套主保護可能啟動，但213開關已經在母差保護作用下跳閘；此時故障點依然存在。

4）對于甲乙Ⅰ線乙側，甲站母差保護動作通過RCS-931A光纖通道向220 kV甲乙Ⅰ線乙站側的間隔發(fā)遠跳信號，甲乙Ⅰ線乙站側間隔遠方三相跳閘切除故障，同時閉鎖重合閘。

圖8 事故分析原理

母差保護動作，啟動該線路RCS-902C保護遠傳邏輯，發(fā)允許信號給220 kV甲乙Ⅰ線乙站側間隔，對側同時也判斷有區(qū)內正方向故障點，符合跳閘條件，甲乙Ⅰ線乙站側間隔迅速三相跳閘同時閉鎖重合閘切除故障點。甲乙Ⅰ線乙側兩套主保護同時啟動，并作用于跳閘。

5）對于甲丙Ⅰ線丙側，甲站母差保護動作通過RCS-931A光纖通道向220 kV甲丙Ⅰ線丙側間隔發(fā)遠跳信號，丙側間隔遠方三相跳閘同時閉鎖重合閘。

母差保護動作，起動該線路RCS-902C保護遠傳允許信號給丙側間隔，當對側發(fā)現區(qū)外正方向故障，同時收到甲站信號，符合跳閘條件三相跳閘閉鎖重合閘。

5.3 相關的保護動作行為分析

如果甲站1號母線上220 kV甲乙Ⅰ線開關失靈跳不開，故障電流達到失靈啟動相電流時，通過RCS-915AB母線保護中的失靈保護出口，短延時跳開母聯(lián)，長延時跳開1號母線上所有開關，致使1號主變失電，同時1號母線上各220 kV線路對側間隔與5.2處有相似的動作行為，唯一的不同在于這種類型故障時母差保護不啟動。

5.4 一次設備檢查

GIS的CT氣室與母線刀閘氣室相通（CT內置），通過一次設備檢查發(fā)現此甲乙Ⅰ線路下位CT閃絡擊穿。事故是由內置式CT氣室內的丁腈橡膠板中的腐蝕性硫與氣室內觸頭等鍍銀件反應形成硫化銀，最終形成導電通道，引起CT氣室閃絡擊穿，造成GIS故障。一次故障定位與保護動作分析結果完全吻合。

6 結語

針對近期發(fā)生的典型GIS故障，系統(tǒng)闡述了220 kV母差保護和220 kV線路縱聯(lián)保護及其交叉區(qū)內故障保護動作原理，并對本次故障保護動作行為進行剖析，定位其具體故障范圍，并通過后來一次設備的事故處理印證了保護動作行為分析及故障定位的正確性。2014年，某220 kV站發(fā)生表象相同的故障，憑借上述故障處理的經驗，故障得到了最迅速地處理，并恢復送電。再遇到此類電網故障時，該思路有助于及時對故障準確判斷并進行處理。

［1］王琴.微機母線保護裝置的研究與開發(fā)［D］.西安；西安理工大學，2005.

［2］姚李孝，王琴.一種新的微機母線保護運行方式自適應方案研究［J］.電網技術，2005，29（7）：60-64．

［3］周玉蘭，詹榮榮，舒志淮，等．2003年全國電網繼電保護與安全自動裝置運行情況與分析［J］．電網技術，2004，28（20）：48-53．

［4］孟智東.光纖電流縱聯(lián)差動保護在大同電網的運行分析［D］.北京：華北電力大學，2005．

GIS Fault in the Overlap between Digital Bus-bar Protection Scope and Differential Current Protection Scope

DU Xiaoping，LI Tao，JIANG Ruijin，SUN Xuewu，GUO Chun
（State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 250001，China）

Basic principles of digital bus-bar protection and differential current protection in systems of 220 kV are laid out.A typical GIS fault protection behavior in the overlap between the digital bus-bar protection scope and differential current protection scope is analyzed，and the fault scope is located.Accuracy of protection analysis is corroborated by primary device checking.This is believed to be of high guiding value for a rapid accurate judgment and for the fault handling whenever this kind of GIS faults occur.

GIS；digital bus-bar protection；differential current protection；fault in the overlap；fault analysis

TM773

B

1007－9904（2015）08－0047－04

2015-06-19

杜曉平（1978），女，高級工程師，從事電力系統(tǒng)生產工作；

李濤（1977），男，高級工程師，從事電力系統(tǒng)高壓技術與設備質量監(jiān)督工作。